Металлургические и технологические особенности сварки алюминия

Применение алюминия в технике обусловлено его малой плотностью (2,7 г/см³), примерно в 3 раза меньшей, чем у стали, повышенной хладо-стойкостью, коррозионной стойкостью в окислительных средах и на воздухе. Чистый алюминий обладает малой прочностью (σ_В≤10 кгс/мм²), поэтому из него изготовляют изделия, для которых требуется только высокая коррозионная стойкость.

Алюминий и его сплавы обладают низкой температурой плавления (температура плавления чистого алюминия 660° С), высокой тепло и электропроводностью, повышенным по сравнению со сталью коэффициентом линейного расширения и более низким значением модуля упругости.

Алюминий и его сплавы делят на две основные группы: деформируемые, применяемые в прессованном, катаном и кованом состояниях, и литейные (недеформируемые), используемые в виде литья. Деформируемые сплавы, в свою очередь, делят на термически не упрочняемые, к которым относятся технический алюминий и сплавы его с марганцем и магнием, и термически упрочняемые, к которым относятся сплавы алюминия с медью, цинком и другими элементами. К литейным относятся сплавы со значительным содержанием кремния или меди.

Большинство сварных конструкций изготовляют из деформируемых термически не упрочняемых сплавов алюминия в ненагартованном виде. В последние годы для изготовления сварных конструкций все в большем объеме начинают применять термически упрочняемые сплавы. Затруднение при сварке этих сплавов вызывает снижение прочности металла в околошовной зоне. Ранее для получения конструкций на этих сплавов применяли исключительно контактную точечную и стыковую сварку. В настоящее время научились применять также аргоно-дуговую и злектронно-лучевую сварку.

Литейные сплавы находят ограниченное применение в сварных конструкциях. Сварку их выполняют преимущественно при исправлении дефектов литья и при соединении литейных деталей с узлами из деформируемых сплавов.

Постоянными примесями в техническом алюминии и его сплавах являются железо и кремний.

Металлургические и технологические особенности сварки.

Для алюминия и его сплавов применяют практически все промышленные способы сварки плавлением и давлением. Газовую и дуговую сварку угольными или графитовыми электродами, а также сварку вручную покрытыми электродами в настоящее время используют редко. Наиболее широкое распространение для изготовления конструкций, особенно ответственных, приобрела сварка в среде инертных газов. При электроннолучевой сварке алюминия и некоторых его сплавов получаются швы, обладающие высокими механическими свойствами. Автоматическая дуговая сварка с использованием флюсов (полуоткрытой и закрытой дугой) применяется для крупногабаритных конструкций, а ЭШС - для сплавов больших толщин. Из способов сварки в твердом состоянии широко используется контактная сварка. Такие виды сварки, как диффузионная и холодная для алюминия и особенно его сплавов, применяются в ограниченных масштабах главным образом из-за трудностей при создании особо чистых поверхностей соединяемых деталей, свободных от оксидных пленок. Специфические теплофизические свойства алюминия и его сплавов (высокая теплоемкость, теплопроводность и скрытая теплота плавления при сравнительно низкой температуре, плавления) определяют оптимальные параметры процесса сварки. Так, при сварке алюминия плавлением необходим сварочный ток, превосходящий в 1,2-1,5 раза ток для стали, несмотря на то что температура плавления алюминия значительно ниже, чем стали.

Затруднение при сварке вызывает также большая склонность металла шва к образованию пор и кристаллизационных трещин (особенно характерных для сплавов на основе алюминия). На сплавах повышенной прочности (например, легированных цинком и магнием) наблюдается появление холодных трещин. Для их предотвращения применяют предварительный подогрев изделия (или зоны расположения швов) до температуры 250-400° С. Предварительный подогрев также эффективен для снижения затрат погонной энергии, особенно при сварке массивных деталей. Большая жидкотекучесть алюминия и малая его прочность при температуре выше 550° С обусловливают применение подкладок при сварке.

Значительная усадка при затвердевании сварного шва, а также высокий коэффициент линейного расширения приводят к существенным остаточным деформациям (большим, чем деформации конструкций из малоуглеродистой стали). При сварке нагартованного алюминия и термически упрочненных алюминиевых сплавов снижается прочность сварного соединения по сравнению с прочностью основного металла, что создает определенные трудности.

Существенные затруднения при сварке возникают вследствие легкой окисляемости алюминия в твердом и расплавленном состояниях. Образующаяся тугоплавкая пленка оксида алюминия Аl₂О₃ препятствует формированию шва и является источником неметаллических включений в металле шва. Для получения качественных соединений при сварке плавлением необходимы защита шва от насыщения примесями-газами атмосферы и принятие специальных мер для удаления или разрушения пленки оксидов.

Подготовка к сварке.

Качество сварных соединений из алюминия и его сплавов в значительной степени определяется подготовкой поверхности свариваемых кромок и электродной проволоки.

Перед сваркой тщательно удаляют жировую смазку, которой покрывают полуфабрикаты при консервации. Поверхность металла на ширине 100-150 мм от кромки обезжиривают ацетоном, авиационным бензином, уайт-спиритом или другими растворителями. Пленку оксидов, находящуюся под жировой смазкой, удаляют механическими способами или химическим травлением. При механических способах свариваемые кромки на ширине 25-30 мм зачищают наждачной бумагой, шабером или металлической щеткой. Для щеток рекомендуется использовать проволоку из нержавеющей стали диаметром не более 0,15 мм. Зачистка кромок шабером и металлической щеткой предпочтительнее, так как не создает опасности загрязнения шва абразивом. Шабрение рекомендуется выполнять непосредственно перед сваркой.

В случае удаления пленки оксидов химическим способом детали травят в течение 0,5-1 мин в реактиве следующего состава: 50 г едкого натра технического и 45 г фтористого натрия технического на 1 л воды. После травления следуют промывка в проточной воде и осветление в течение 1-2 мин в 30-35 %-ном растворе азотной кислоты для алюминия и сплавов типа АМц или в 25 %-ном растворе ортофосфорной кислоты для сплавов типа АМг и В95. После повторной промывки в проточной воде обработка заканчивается сушкой сжатым воздухом при температуре 80-90° С до полного испарения влаги.

Подготовленная таким образом поверхность сохраняет свои свойства в течение 3-4 дней. При более длительном хранении на зачищенной поверхности адсорбируется влага из воздуха и образуется оксидная пленка. Для того чтобы избежать дефектов швов, необходимо повторно зачистить кромки. Изучению кинетики образования и структуры оксидной пленки на поверхности алюминия посвящено большое число исследований.

Для очистки поверхности алюминиевой сварочной проволоки рекомендуется следующая ее обработка: промывка растворителем для обезжиривания; травление в 15%-ном растворе технического едкого натра в течение 5-10 мин при Т = 60 - 70° С; промывка в холодной воде, сушка, дегазация при Т = 350° С в течение 5-10 ч при вакууме 0,133 Па (вакуумная сушка). Операция вакуумирования может быть заменена прокалкой в атмосфере воздуха при температуре 300° С в течение 10-30 мин.

Хорошие результаты по очистке поверхности алюминиевой проволоки дает электрополирование ее поверхности. В качестве электролита используют раствор следующего состава: 70 мл Н₃РО₄, 300 мл H₂SO₄, 42 г Сг₂О₃. Полирование происходит при температуре 95-100° С. Для каждого диаметра проволоки при постоянной скорости протяжки ее через ванну существует минимальная величина тока, при котором: возможен процесс полирования. Так, при скорости протяжки 100 м/ч электрополирование проволоки марки АМг6 диаметром 1,6 мм возможно при токе 19,8 А, а диаметром 2,5 мм - при токе 130 А.

Для уменьшения пористости швов и удаления адсорбированной влаги после химической обработки рекомендуется сварочную проволоку подогревать в инертном газе при Т=200 - 480° С в течение 30-80 мин. Подогрев проволоки в аргоне снижает содержание адсорбированной влаги не менее чем в 5 раз.

Требуемая чистота кромок и сварочных материалов достигается при сварке изделий из алюминия и его сплавов на специально оборудованных участках.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сварка и свариваемые материалы в трех томах под общей редакцией докт. техн. наук В. Н. Волченко том 1 Свариваемость материалов Под редакцией проф. докт. техн. наук Э. Л. Макарова
2. Справочник по сварке цветных металлов / Гуревич С. М.; Отв. ред. Замков В. Н.- 2-е изд., перераб. и доп.- Киев; Наук, думка, 1990.- 512 с.
3. Технология и оборудование сварки плавлением. Под редакцией Г. Д. Никифорова. Учебник для студентов вузов. М., «Машиностроение», 1978. 327 с. с ил.
4. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением. Под ред. акад. Б. Е. Патона. М., «Машиностроение», 1974. 768 с.